Slem finns överallt. Det formar konsistensen av dina kroppsvätskor, från saliven i munnen till smutsen som täcker dina organ. Det skyddar dig mot patogener, inklusive coronavirus, samtidigt som det skapar ett hem i din mun för miljarder vänliga bakterier. Det hjälper sniglar att ha Spiderman-sex hängande från väggar, hagfish förvandla vatten till snabbt expanderande goo, lampreyor filtrera sin mat och swiftlets bygger bon.

Men även om slem är avgörande för alla former av komplext liv, har dess evolutionära ursprung förblivit grumligt.

Jag är en evolutionär genetiker som studerar hur människor och deras genom utvecklas. Tillsammans med mina kollegor, inklusive min långvariga medarbetare Stefan Ruhl och min elev Petar Pajic, tog vi oss an detta evolutionära pussel i vår nyligen publicerade tidning. Vi började med att titta på hur spottslem tillverkas hos olika arter. Vad vi fann var att slem öppnar ett fönster till den roll som repetitivt DNA spelar i evolutionens mysterier.

Vad är muciner?

Slem består av proteiner som kallas muciner, som är kärl för sockermolekyler. Dessa sockerarter är de viktigaste uppdragsgivarna för att göra saker slemmiga.

Till skillnad från andra proteiner, som vanligtvis har invecklade 3D-former, tar muciner ofta formen av långa, styva stavar. Sockermolekyler är fästa längs stavarnas längd, vilket skapar komplexa, borstliknande strukturer.

Detta partnerskap mellan proteinbyggstenar och sockerarterna bundna till dem, som upprepas om och om igen, är avgörande för mucinernas egenskaper. Dessa strukturer kan fastna på andra muciner och mikrober, vilket förändrar de fysiska egenskaperna hos vätskorna som omger dem till en klibbig och slemmig substans.

Utvecklingen av slem

Trots de anmärkningsvärda egenskaperna mucin har och deras viktiga roll i biologin, har hur de utvecklats undgått forskarna.

För att börja ta reda på mucinernas evolutionära ursprung började mina kollegor och jag med att leta efter gemensamma genetiska förfäder för muciner över 49 däggdjursarter. Evolutionen mixar trots allt ofta men uppfinner sällan. Det enklaste sättet för en ny gen att utvecklas är genom att kopiera och klistra in en befintlig och göra små ändringar i den nya kopian för att passa miljöförhållandena. Chanserna för att en art självständigt uppfinner ett komplext mucin från grunden är astronomiskt små. Vårt forskarteam var säkra på att kopiering och inklistring av befintliga mucin-gener som sedan anpassar sig till en viss arts behov var den främsta drivkraften för mucinevolution.

Men våra initiala antaganden visade sig vara ofullständiga. Att kopiera och klistra in mucin-gener i ett genom bör leda till dottergener som har likheter med varandra. Även om vissa muciner passade våra kriterier, granskade en tidigare studie alla kända gener som kodar för muciner hos människor och fann ett antal "föräldralösa" muciner som inte tillhör någon genfamilj. De existerar ensamma i det stora landskapet av det mänskliga genomet.

Vi fokuserade sedan på att söka efter sådana föräldralösa gener i arvsmassan hos dussintals arter i genetiska databaser. Vi hittade 15 fall av nya mucingener som utvecklats i olika däggdjur, utan koppling till kända mucingener.

Ytterligare undersökningar visade dock att dessa mucin-gener trots allt har släktingar. De delar anor med andra stavliknande proteiner rika på aminosyran prolin, som vanligtvis finns i saliv. Dessa proteiner som är rika på prolin har dock inte de viktigaste repetitiva proteinstrukturerna som hjälper muciner att binda till sockermolekyler.

Vi antog att dessa proteiner rika på prolin kunde genomgå "mucinisering" genom att upprepade gånger lägga till proteiner som binder till sockermolekyler, så kallade glykoproteiner. För att testa detta jämförde vi sekvenserna av gener som kodar för muciner och gener som kodar för proteiner rika på prolin i olika däggdjur, inklusive människor. Vi fann att sekvenserna var mycket lika. Den enda skillnaden var närvaron av upprepade segment av glykoproteiner i muciner. Vad detta innebar är att vissa proteiner kunde omvandlas till muciner bara genom att lägga till kopior av dessa upprepade segment.

Repetitivt DNA och evolution

Våra fynd avslöjar mångfalden av muciner i ett helt sätt av varelser, vilket öppnar en inblick i evolutionens slemmiga lekplats för anpassning.

Forskare ignorerar ofta repetitiva genetiska sekvenser eftersom de sällan förekommer inom gener som kodar för de proteiner som utför många biologiska funktioner i celler. Men när det gäller muciner visar det sig att skapa upprepade sekvenser från början vara en viktig motor för deras utveckling. Vårt tidigare arbete med primater tyder på att antalet upprepade sockerbindande segment som finns i ett givet mucin kan vara den faktor som avgör dess skillnader från andra.

Det är möjligt att tillägget av repetitiva genetiska sekvenser också diskret kan forma andra funktioner över genomet. Faktum är att sådana tandemupprepningar är en vanlig typ av mutation i det mänskliga genomet, och nya studier tyder på deras oupptäckta roll i biologisk variation mellan människor.

Mucin och människors hälsa

Att förstå hur muciner fungerar kommer också att hjälpa forskare att bättre förstå ett antal sjukdomar.

När muciner inte fungerar korrekt kan det leda till sjukdom. Människor med en felaktig CFTR-gen utvecklar cystisk fibros, där deras kroppar inte kan ta bort slem från lungorna och gör det svårt att andas. Felfungerande mucinreglering är också kopplat till cancerutveckling.

Även om det kanske inte är uppenbart, har du förmodligen en personlig koppling till muciner. För två år sedan besökte jag min mamma efter hennes cancerdiagnos. Regnet hade precis tagit slut, och Istanbuls gator blev en livlig by av oroande stora sniglar. Under en kort promenad med min mamma, plockade jag upp en av de där sniglarna med fascination, till hennes fasa.

Jag hade inte hjärta att berätta för henne att den biologiska mekanismen som gör att dessa fantastiska varelser kan röra sig var densamma som hjälper tumören i hennes lungor att växa. Det påminde mig om vetenskapsmannen Michael Faradays ord:"Oavsett vad du tittar på, om du tittar tillräckligt noga på det, är du involverad i hela universum." + Utforska vidare

Utvecklingen av slem:Hur fick vi allt detta slem?

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.